[发明专利]一种测量多孔材料气孔曲折因子的方法

说明书

本发明属于多孔材料的性能表征领域，涉及多孔材料气孔曲折因子的测量，具体涉及一种测量多孔材料气孔曲折因子的方法，首先扫描获得该多孔材料的表面形貌或垂直于气流方向的断面形貌，分析得到所述表面形貌或断面形貌的表面气孔的平均孔径值R'；其次使用可以测量出该多孔材料气孔的平均孔径值的仪器测量该多孔材料气孔的平均孔径值R；最后，结合上述两个平均孔径值计算得到所述多孔材料的气孔曲折因子，解决现有测量方法存在的耗时长、成本高、测量过程复杂等问题。

技术领域

本发明属于多孔材料的性能表征领域，涉及多孔材料气孔曲折因子的测量，具体涉及一 种测量多孔材料气孔曲折因子的方法。

背景技术

多孔材料是一种常见的材料形态，流体包括气体或液体可以在孔道内流动。多孔材料目 前在过滤、催化、电极等领域得到广泛的应用。当气体在多孔材料体内流动时，孔结构对气 体的流动过程有着重要影响，评价其影响程度的参数之一即为曲折因子。

曲折因子的概念如图1所示。图1(a)为一厚度为H的多孔材料，气体由其下表面传输到上表面。当气孔垂直于材料表面时，气体在材料中的传输路径长度即为材料厚度H；在实际的多孔材料中，气孔的形态一般是弯曲的，则气体的传输路径如图1(b)所示，其传 输路径总长度为L；当把长度为L的气孔拉直时，则其等效的传输如图1(c)所示。在图1 (c)中，气体穿透材料的厚度为H，经历的路程长度为L，路径与垂直材料表面的方向夹 角为β。

根据曲折因子τ的定义，有：

曲折因子是多孔材料的一项重要参数，涉及多孔材料中气体或液体的传输速率等问题。 现有技术中，对曲折因子的测量方法一般比较复杂。如常见的FIB-SEM法即聚焦离子束-扫 描电子显微镜双束系统。如图2所示，FIB-SEM法是通过离子束轰击多孔材料，通过扫描 电子显微镜扫描其新的表面，然后通过电脑精确复原其内部三维结构，从而较为精确的计算 多孔材料的曲折因子。由于需要一层一层的轰击其横截面，因此会对材料造成不可恢复的破 坏，且耗时长，成本高昂。

如果多孔材料是用于燃料电池的多孔电极，则对其曲折因子的分析也可以通过电化学手 段。此方法先制备完整的电池，测试燃料电池的电流电压曲线，得到极限电流密度，估算得 到电极的曲折因子。在使用此方法时，将工作电流提升到一定程度时，由于浓差极化，输出 功率会骤降到0。此时的电流密度为极限电流密度，反应界面处燃料浓度为0。得到极限电 流密度这个关键参数后，先根据模型计算出扩散系数，再对曲折因子进行估算。此种方法必 须将多孔的电极材料制备成完整的电池，并要在燃料电池工作条件下才能测试，测试手段复 杂，耗时较长。

发明内容

本发明克服上述现有技术存在的不足，提出一种测量多孔材料气孔曲折因子的方法，解 决现有测量方法存在的耗时长、成本高、测量过程复杂等问题。

为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案。

一种测量多孔材料气孔曲折因子的方法，首先扫描获得该多孔材料的表面形貌或垂直于 气流方向的断面形貌，分析得到所述表面形貌或断面形貌的表面气孔的平均孔径值R'；其次 使用可以测量出该多孔材料气孔的平均孔径值的仪器测量该多孔材料气孔的平均孔径值R； 最后，结合上述两个平均孔径值计算得到所述多孔材料的气孔曲折因子。

进一步地，所述测量多孔材料气孔曲折因子的方法包括如下步骤：

(1)通过扫描电子显微镜扫描获得该多孔材料的表面形貌图片，并结合计算机软件分 析得到该多孔材料表面气孔的平均孔径值R'；(2)通过可以测量出该多孔材料气孔的平均 孔径值的仪器测量该多孔材料的气孔平均孔径值R；(3)通过如下公式计算该多孔材料气 孔曲折因子：

进一步地，通过扫描电子显微镜扫描获得该多孔材料的表面形貌或垂直于气流方向的断 面形貌图片。

进一步地，所述通过扫描分析得到平均孔径值R'的方法，包括如下步骤：